电力电缆温度场与载流量计算软件设计

电力电缆温度场与载流量计算软件设计

刘畅，徐政

【摘 要】摘要：针对电力电缆温度场的仿真问题和载流量的计算问题，基于有限元方法和等效热阻法开发了电力电缆温度场与载流量计算软件。软件采用面向对象的Visual C＃语言以及Microsoft Visual Studio平台上的Windows Presentation Foundation技术，具有高度模块化的视图层、控制层和模型层三层软件架构。该软件实现了电缆载流量的解析计算与数值计算、电缆温度场的数值分析及其数据可视化等功能，并使用电缆厂的技术数据对软件的计算准确性进行了测试。与其他商业软件相比，该软件在电缆参数计算领域更具专业性，而且节省了建立电缆有限元模型的时间。 【期刊名称】广东电力 【年(卷),期】2015(000)006 【总页数】9

【关键词】电力电缆；温度场；载流量；软件设计

随着国民经济的发展和城市化进程的加速，电网的规模日益扩大，电力系统中电力电缆的敷设量增多，并且随着城市改造和建设的不断深入，输电线路走廊与城市建设规划的配合等矛盾不断加剧，采用地下输电系统可以有效缓解该矛盾，因此城市电网中电力电缆所占比重越来越大［1］。

电力电缆的载流量是地下电缆运行中的重要参数［2－4］。载流量应满足线芯工作温度不超过电缆绝缘耐热寿命允许温度值，且负荷导体连接可靠等要求。在选用电缆时，除了需要充分考虑电气和机械性能外，还应仔细分析其热特性，使电缆在保证传输容量的条件下各部分均不超过电缆容许温度［5］。目前电力

电缆载流量的计算方法主要有两种：一种是基于IEC60287标准的等效热阻分析法［6］，也是目前应用最广泛的一种方法；另外一种是数值计算法，即用温度场方法来分析电缆周围温度分布的情况［7－10］。目前国内外对于专门用于电缆载流量计算的软件的开发尚处于起步阶段，在电缆工程中得到使用的成熟的载流量计算软件还比较少，因此开发电力电缆温度场和载流量计算软件具有很大的工程价值和应用前景。

一套成熟的电力电缆载流量计算程序需要满足电缆设计、测试及运行各个工程环节的需求，这意味着这套程序不仅能够计算电力电缆的载流量，还应具有分析电缆在特定通过电流下的温度分布的功能。从文献［11–15］的工作中可以看出，目前国内外已经开发出的电缆载流量计算软件大多是依据等效热阻法编制，并不具备对电缆温度场的分析功能。科研机构与工程单位一般应用ANSYS、COMSOL Multiphysics等有限元物理场数值仿真软件进行电力电缆温度场的数值仿真，但上述软件中没有专门的电缆程序包，因此仿真时需要大量的电缆建模工作，这将很大程度上降低计算效率。因此，要编制一套成熟且专门的电缆载流量计算软件，载流量计算和电缆温度场计算都是必不可少的功能，特别是电缆温度场分析功能可以极大地减少电缆生产和工程中技术人员的工作量。

1 软件总体设计

1.1 软件功能设计

电力电缆温度场和载流量计算软件依据等效热阻法和有限元法编制，应该具有三个主要的模块，即电力电缆温度场有限元计算模块、电力电缆载流量有限元计算模块和电力电缆载流量等效热阻法计算模块。

电力电缆温度场计算模块应用有限元数值计算方法计算电力电缆通过给定电流

时的稳态温度场分布，因此该模块应具备以下功能：建立电力电缆有限元模型功能；有限元方法计算温度场及计算域内任意点温度结果输出功能；温度场计算结果图形化显示功能。

电力电缆有限元计算模块应用有限元数值计算方法计算电力电缆的线芯达到最高允许工作温度时线芯导体中通过的电流，因此该模块应具备以下功能：建立电缆有限元计算模型功能；有限元方法计算电缆导体载流量及载流量计算结果输出功能；图形显示当前计算结果下温度场分布功能。

电力电缆载流量等效热阻法计算模块应用等效热阻法计算电力电缆的导体达到最高允许工作温度时导体中通过的电流，因此该模块应具备以下功能：建立电力电缆等值热路模型功能；计算热路模型中各部分热阻及载流量功能；计算结果输出功能。 1.2 软件构架

电力电缆温度场和载流量计算软件的输入为电力电缆的结构参数、电力电缆材料参数、敷设条件以及环境参数，软件的温度场计算模块输出为电力电缆任意点的温度数据、温度分布图，载流量有限元计算模块的输出为电力电缆导体通过的电流、任意点的温度数值和温度场分布图，载流量等效热阻法计算模块输出为电力电缆各部分损耗数值、热阻数值以及导体中通过的电流。

软件的结构采用三层设计模式，即视图层、控制层、模型层。视图层负责与用户的交互，即软件的界面与输入输出显示；控制层负责读取视图层的数据，调用模型层中的相关模型进行计算，计算结果传递给视图层，控制层实际上是软件的逻辑表达，是软件输入数据与各个计算模型的适配器；模型层中存储用于计算电缆载流量和温度场的各种模型，即电缆类及其派生类、有限元网格剖分